7. 디지털 논리와 컴퓨터의 기초

7.1. 디지털 논리와 현대 정보사회

디지털 논리는 현대 정보사회에서 필수적인 개념으로, 컴퓨터를 비롯한 다양한 전자기기가 어떻게 데이터를 처리하고 연산하는지를 이해하는 근간이 된다. 아날로그와 디지털의 구분에서부터 시작해, 논리 게이트와 이진법, 그리고 컴퓨터 내부에서 정보가 처리되는 과정을 살펴보면, 우리가 일상적으로 사용하는 전자제품과 소프트웨어가 어떤 원리로 작동하는지 좀 더 명확하게 이해할 수 있다. 이번 장에서는 디지털 논리의 핵심을 간단히 정리해 보고, 컴퓨터가 정보를 다루는 방식을 개괄적으로 살펴보겠다.

 

7.2. 디지털과 아날로그의 차이

아날로그는 시간과 진폭이 연속적으로 변하는 물리량을 그대로 표현하는 방식을 뜻한다. LP 레코드나 카세트테이프에 담긴 음악은 음압 변화를 아날로그 형태로 저장하고 재생한다. 아날로그 신호는 미세한 차이까지 반영해 자연스러운 표현이 가능하지만, 잡음이나 열화에 취약해 재생 횟수가 늘어날수록 음질이 떨어질 수 있다.

반면 디지털은 이산적인 값, 즉 0과 1 같은 이진수 형태로 정보를 표현한다. CD나 MP3 파일, 컴퓨터 메모리 등은 모두 디지털 방식을 활용하는 대표 예이며, 노이즈에 강하고 정확한 복제와 전송이 가능한 장점이 있다. 이런 차이로 인해 아날로그는 고유한 풍부함을, 디지털은 균질하고 안정적인 품질을 갖추게 되었다.

7.3. 논리 게이트란 무엇인가

디지털 논리에서 가장 기초가 되는 요소는 논리 게이트다. 논리 게이트는 입력된 디지털 신호(0 또는 1)를 특정 규칙에 따라 조합해 새로운 출력을 내보내는 기능을 한다. 대표적인 게이트에는 AND, OR, NOT 등이 있다.

• AND 게이트: 모든 입력이 1일 때만 출력이 1, 하나라도 0이면 출력이 0
• OR 게이트: 입력 중 하나라도 1이면 출력이 1, 모두 0이면 출력이 0
• NOT 게이트: 단일 입력을 반전시켜, 입력이 0이면 출력이 1, 입력이 1이면 출력이 0

이들 게이트는 조합 논리 회로를 구성하는 가장 기본적인 블록이며, 실제 컴퓨터 하드웨어 안에서도 무수히 많이 연결되어 복잡한 연산을 수행한다. 예컨대 CPU 내부의 연산 장치는 여러 논리 게이트가 조합된 거대한 논리 회로이며, 이를 통해 산술 연산이나 논리 판단, 제어 신호 생성 등을 처리한다.

7.4. 이진법과 디지털 데이터의 표현 방식

디지털 신호가 0과 1 두 가지 값으로만 구성되다 보니, 내부적으로는 모든 데이터를 이진법으로 표현한다. 이진법이란 2를 밑으로 하는 수 체계로, 각 자릿수가 0 아니면 1만 될 수 있다. 예를 들어 십진수 13을 이진법으로 나타내면 1101이 된다. 컴퓨터 메모리나 저장장치에서도 정보는 결국 비트(bit)의 조합으로 관리되며, 1바이트(byte)는 8비트로 구성된다.

이렇게 표현된 디지털 데이터는 문자, 숫자, 이미지, 오디오, 동영상 등 다양한 형태로 변환되지만, 하드웨어 차원에서는 모두 0과 1만 구분하는 동일한 방식으로 처리된다. 문자를 표현하기 위한 대표 표준으로 ASCII 코드가 있고, 확장형으로 유니코드(UTF-8 등)가 사용된다. 예를 들어 대문자 A는 ASCII 코드값 65이며, 이진법으로 01000001로 표현된다. 이미지도 픽셀마다 색상 정보를 비트로 기록하고, 오디오는 일정 시간 간격으로 음압을 디지털 샘플링해 표현한다. 결국 컴퓨터가 이해하는 모든 데이터는 이진 형태이며, 이러한 표현 방식 덕분에 전 세계 어디서든 동일한 데이터 형식을 사용해 호환성을 유지할 수 있다.

7.5. 컴퓨터 내부에서 정보가 처리되는 과정

컴퓨터는 입력장치(키보드, 마우스, 센서 등)로부터 받은 디지털 신호를 CPU가 해석하고, 필요한 연산을 수행하거나 메모리에 읽고 쓰며, 그 결과를 디스플레이나 스피커 같은 출력장치로 전달한다. 이때 CPU 내부는 제어장치와 연산장치(ALU), 레지스터, 버스 등 여러 구성요소로 나뉜다.

제어장치는 메모리에 저장된 명령어를 하나씩 가져와 해독하고, 해당 명령이 요구하는 연산을 실행하기 위해 레지스터와 ALU, 메모리, 입출력장치 등에 필요한 신호를 보낸다. ALU는 산술연산(Add, Sub 등)과 논리연산(AND, OR 등)을 실제로 수행하는 핵심 부분이며, 모든 처리는 논리 게이트와 플립플롭이 유기적으로 연결된 회로에서 진행된다.

메모리는 CPU가 즉시 접근할 수 있는 휘발성 저장공간(RAM)과, 비교적 접근 속도가 느리지만 더 영구적인 보조기억장치(SSD, HDD 등)로 나뉜다. 프로그램을 실행하면, 명령어와 필요한 데이터가 메모리로 로드되어 CPU가 이를 순차적으로 불러오고 계산한 뒤 결과를 다시 메모리에 되돌려 놓는다. 이 모든 과정은 디지털 논리에 기반한 이진 신호의 흐름으로 이뤄지며, 중간에 발생할 수 있는 오류는 패리티 검사나 ECC 같은 오류 정정 기법을 통해 관리된다.

최종적으로 컴퓨터는 내부 논리 회로에서 생성된 처리 결과를 사용자에게 시각적·청각적으로 전달한다. 화면에 글자를 출력할 때에는 그래픽 처리장치(GPU)나 내장 그래픽 모듈이 픽셀 정보를 해석해 모니터로 신호를 보내고, 모니터는 이를 적·녹·청 서브픽셀의 휘도로 재현한다. 스피커나 이어폰으로 소리를 재생할 때 역시 디지털 오디오 신호를 아날로그 형태로 변환(DA 컨버터)한 뒤, 앰프와 스피커를 거쳐 음압으로 바꾼다. 이런 과정을 거쳐 사람들이 직관적이고 편리한 방식으로 컴퓨터가 처리한 결과를 확인할 수 있다.

7.6. 결론: 논리 게이트가 이루는 거대 시스템

정리하자면, 디지털 논리의 기초를 이루는 아날로그와 디지털의 차이, 논리 게이트, 이진법, 그리고 컴퓨터 내부의 정보 처리 과정은 현대 기술사회의 근간이다. 논리 게이트가 주고받는 0과 1의 신호가 모여 복잡한 연산과 제어를 수행하고, 이진법을 기반으로 한 데이터 표현은 음악·영상·텍스트 등 모든 디지털 콘텐츠를 단일 형식으로 통합한다. 결국 우리가 사용하는 스마트폰과 컴퓨터, 그리고 온갖 네트워크 장비들은 작은 논리 게이트의 집합이자, 이를 제어하는 방대한 소프트웨어가 맞물려 동작하는 거대 시스템이라 할 수 있다.

이러한 원리를 이해하는 것만으로도 전자공학과 컴퓨터공학, 나아가 IT 산업 전체의 흐름을 크게 조망할 수 있으며, 더 나아가 창의적인 아이디어를 현실화하는 기반 지식을 갖추게 된다.